Самая большая экосистема на Земле — биосфера в процессе развития (сукцессии) достигла своего стабильного, равновесного состояния. Это значит, что все процессы идут слаженно, нигде нет сбоев. Различные вещества (азот, сера, фосфор, углерод, вода, ртуть, стронций, цезий и множество других) участвуют в круговороте, который в нормальных условиях должен совершаться непрерывно. Это значит, что участвующие в круговороте вещества не могут где-то накапливаться, то есть выводиться из круговорота. Если такое накопление будет происходить, то чем дольше оно будет продолжаться, тем больше вещества, которое должно совершать круговорот, выйдет из него. Это напоминает поточную линию: всего должно быть столько, сколько надо— ни больше, ни меньше. Если чего-то не хватает — работа линии будет нарушена. Конечно, интересно знать, как все это происходит в природе. Но наш интерес двойной. Он вызван не только любознательностью, но и тем, что человек результатами своей деятельности существенно нарушает установившийся в природе круговорот веществ. Важно знать, насколько это опасно, чем именно это грозит и каким образом можно этому противодействовать . Именно с этой точки зрения прежде всего мы и рассмотрим проблему. Так, если раньше было ясно, что есть циклы (круговороты) главных, основных веществ и веществ, которые считались второстепенными, то теперь никто из специалистов не осмелится сказать, круговорот какого вещества можно считать пренебрежимым.
Если в круговороте участвует очень малая масса вещества, то ее нельзя назвать пренебрежимо малой. Значение участвующего в круговороте вещества определяется не его массой, не его количеством, а теми последствиями, которые оно способно вызвать. Например, радиоактивный стронций-90 в очень незначительных количествах участвуя в круговороте вместе с кальцием и попадая вместе с ним в наши кости, способен (если его количество увеличится существенно) прекратить существование позвоночных (и человека в том числе). Раньше такой проблемы не существовало— стронций-90 появился на свет благодаря человеку. Кстати, человек не только включил в круговорот множество веществ, которые вредны сами по себе (побочные продукты горнодобывающей промышленности, различных производств, химической промышленности и современного сельского хозяйства, продукты, содержащие высокие концентрации тяжелых металлов, ядовитые органические соединения и другие потенциально опасные вещества), но и изменил условия круговорота веществ, поскольку изменил ландшафт, вырубив лес, заасфальтировав поверхность Земли, построив города, поселки ит. д. ит. п.
Рассматривая круговорот (цикл или геохимический цикл) любого вещества, различают ту часть вещества, которая непосредственно участвует в круговороте, проходит поточную линию. Поэтому специалисты эту часть вещества называют подвижным, или обменным, фондом. Этот активный циркулирующий фонд еще называют доступным. Остальная часть вещества не принимает непосредственно участия в круговороте, но она, конечно, не отделена наглухо от первой части. Эту часть вещества называют резервным фондом. К нему применяют также термин "недоступный" фонд. Эта часть в большинстве случаев больше, чем оборотная часть. Можно это иллюстрировать хотя бы на примерах азота или воды или же кислорода. Конечно, чем больше резервная часть, резервный фонд, тем меньше риск, что сбои в обменном фонде приведут к катастрофе. Теряющееся вещество в обменном фонде может быть компенсировано из резервного, базового фонда. Но такой резерв не всегда большой. Тогда ситуация в большей степени подвержена возможностям срыва.
Анализируя круговорот веществ в природе, выделяют два различающиеся пути такого круговорота. В одном случае в круговороте участвуют вещества, находящиеся в атмосфере и гидросфере (морях, озерах, реках, ручьях, болотах и океанах). Этот круговорот называют круговоротом газообразных веществ. Повторим, что резервные фонды в этом случае находятся в атмосфере и гидросфере. В другом случае речь идет о круговороте тех веществ, резервный фонд которых находится в земной коре. Этот круговорот называют осадочным. Не надо путать с осадками — снегом и дождем. Круговорот веществ в осадочном цикле осуществляется путем осадкообразования, горообразования, вулканической деятельности, эрозии и биологического переноса. Вещества, переносимые в осадочных циклах, "привязаны" к земле в большей степени, чем кислород, азот, двуокись углерода, вода и др., которые циркулируют с атмосферным газом, водой и т. д. Рассмотрим вначале биогеохимические циклы, резервные фонды которых находятся в атмосфере, гидросфере и почве. Начнем с воды.
Биогеохимический цикл воды. В общих чертах круговорот воды представляет себе каждый. Большой резервуар воды— океаны, моря, озера и реки. Вода из этого резервуара испаряется. Образуются облака. Затем выпадают осадки в виде дождя, снега, крупы, града. Вода осадков попадает в озера, реки, болота, откуда в конце концов стекает в море. Так круг замкнулся. Надо еще отметить наличие грунтовых вод, которые в конце концов также постепенно стекают туда же — в море. Есть, естественно, и поверхностный сток воды в море.
Любому очевидно, что двигать большие массы воды по описанному кругу не просто. На это надо затратить большую энергию — ведь воду надо поднять на большую высоту над уровнем моря (облака). Поэтому неудивительно, что примерно одна треть всей энергии Солнца, которая "перепадает" Земле, уходит на совершение этой работы. Циркуляция воды важна не только сама по себе (что не вызывает сомнения), но и потому, что она переносит другие вещества. Если вы изменили маршрут воды, то вы тем самым, как правило, изменили и состав тех веществ, которые она переносит. Вода— это "ноги" многих веществ в их круговороте, как полезных, так и вредных. Поэтому круговорот воды надо знать досконально в первую очередь. Специалистам данные о круговороте воды расскажут очень о многом, о том, что неспециалисту покажется никак не связанным с водой. Поэтому в мире тратится много сил и средств для того, чтобы измерять уровень воды в озерах, морях, реках, расход и приход воды и многое другое. Все это необходимо для того, чтобы следить не только за циркуляцией воды как таковой, но контролировать круговорот и других веществ. Контролировать и принимать меры к тому, чтобы недостатки, нарушения в этом круговороте как-то устранить, нейтрализовать . Так, в результате вырубки лесов меняются условия кругооборота воды. Во-первых, в результате этого гумус в почве окисляется, разрушается. А гумус в нормальном состоянии является источником углерода. В лесном гумусе углерода в 4 раза больше, чем в атмосфере, тогда как в биомассе лесов его только в полтора раза больше, чем в атмосфере. При окислении гумуса высвобождается СО2 в газообразном виде, который обычно удерживается в почве. Состав почвенных вод меняется вследствие сведения лесов и распашки земель. В них уменьшается количество некоторых микроэлементов . Дело в том, что вымывание веществ из почвы зависит от путей и режима циркуляции воды. Если вода циркулирует глубоко в почве и она насыщена СО2, то это способствует обогащению ее микроэлементами. Ясно, что такие условия реализуются, если вода задерживается лесом, деревьями, а не стекает вниз, не успев просочиться вглубь. Это можно проиллюстрировать результатами очень любопытного исследования. Ученый исследовал раковины двухстворчатых моллюсков, которых одну-две тысячи лет назад использовали в пищу, а раковины выбрасывали на помойку, на кухонные кучи. Исследователь сравнил содержание в этих раковинах бария и марганца с содержанием их в современных двухстворчатых моллюсках. Оказалось, что это содержание за последние тысячи лет уменьшилось вдвое. То есть моллюски в наше время недополучают примерно половину причитающихся им марганца и бария. А все потому, что их не доставляет вода. Она циркулирует другим путем и не растворяет достаточного количества этих микроэлементов. Она не достигает тех глубин, на которые проникала раньше, при существовании лесов. Сейчас вода быстро стекает по поверхности почвы и не фильтруется через гумусовые слои. Это значит, что элементы, находящиеся в почве (это резервный фонд), оказались отрезанными, отделенными непроницаемой стеной от элементов, которые совершают круговорот и составляют обменный фонд. А причина этого— действия человека, который извел лес. В этом случае для того, чтобы хоть как-то исправить положение, надо вносить в почву указанные не доставленные водой элементы как добавки к удобрениям. Это пример тех косвенных последствий результатов деятельности человека, которые он не предвидел. К сожалению, в истории они идут сплошной чередой. Специалисты установили, что в море количество воды, которая испаряется с его поверхности, больше, чем то количество воды, которая возвращается в море в виде осадков (дождя, снега, града). Но баланс должен быть соблюден. Недостающая для этого вода втекает в море из суши, куда она выпадает в виде осадков.
Это можно трактовать и так: часть испарений моря, прежде чем попасть обратно в море, орошает сушу в виде осадков. Эта влага поддерживает экосистемы как естественные, так и искусственные, то есть агроэкосистемы, используя которые человек кормится. Были получены такие оценочные цифры. Пресные озера и реки получают ежегодно в виде осадков примерно 1 геограмм воды (это равно 104 т) . Из нее одна пятая часть составляет сток, то есть уходит в море, а четыре пятых частей прихода воды за счет осадков уходит в подпочвенные водоносные слои, или, как выражаются специалисты, "горизонты". Поскольку оценки дают, что всего воды в этих пресных озерах и реках содержится четверть геограмма, один оборот воды происходит примерно за один год (сток составляет пятую часть геограмма). Оценки проведены применительно к США.
В результате деятельности человека (создание водохранилищ на реках, уплотнение пахотных земель, сведение лесов, строительство оросительных систем, покрытие земной поверхности непроницаемым для воды покрытием и т. д. и т. п.) поступление воды в глубинные слои почвы очень сильно сократилось. Нельзя рассматривать воду просто как среду обитания живых организмов. Ни в коем случае. Она вместе со всем живым, в ней находящимся, составляет единое целое. Живое не только приспосабливается к условиям, имеющимся в воде, но и меняет эти условия. Так, речные животные возвращают в круговорот элементы питания. Поэтому вынос их в море сокращается. Мало того, элементы, пропущенные через пищевую цепь насекомых, рыб и других организмов, могут перемещать эти элементы против течения воды. Имеются и другие признаки этого единства.
Глобальный круговорот углерода. Это второй круговорот, который наряду с круговоротом воды чрезвычайно важен для человека, для человечества. Прежде всего надо вспомнить о СО2. Его содержание в атмосфере нельзя изменять сколько-нибудь сильно. От него зависят условия на Земле — потепление или похолодание климата, и то и другое очень плохо. Чувствительность СО2 к изменениям в биосфере очень высокая из-за того, что его мало содержится в резервном фонде, в атмосфере Земли. Чем резерв больше, тем устойчивость больше. Резервный фонд — это своего рода буфер, что и понятно. Манипулируя количеством вещества, которое составляет малую долю от всего количества, трудно существенно изменить всю массу вещества. В случае с СО2, к сожалению, все обстоит не так — резервный фонд мал и поэтому чувствительность к воздействиям высокая. Конечно, имеются очень большие запасы углерода в океанах, а также в ископаемом топливе и вообще в земной коре. Но он там почти законсервирован. Потоки углерода между материками, океанами и атмосферой незначительные. Пока человек столь сильно не вмешивался в эти процессы, эти потоки были сбалансированы — сколько углерода уходило из атмосферы, столько же его возвращалось в нее из океанов и материков. Но человек добавил мощные источники углерода. Это прежде всего сжигание топлива (горючих ископаемых) . Но имеются и другие источники. Так, потеря СО2 из почвы в результате ведения сельского хозяйства больше, чем приобретение почвой углерода из атмосферы. Известно, что СО2 фиксируется сельскохозяйственными культурами. Это для почвы дебет, прибыль (в смысле углерода). Но в результате частой вспашки СО2 высвобождается из почвы. Это потеря СО2, которая превышает его прибыль. Дать точные цифры, характеризующие все процессы, приводящие к пополнению СО2 в атмосфере, трудно. Возможно, процесс сжигания топлива равноценен процессу разрушения биотических резервуаров. Но возможно, что второй процесс менее важен.
Не вызывает сомнения, что растительность Земли путем фотосинтеза, а также карбонатная система морей являются основными источниками СО2 в атмосфере. Установлено, что организмы, составляющие зоопланктон, выделяют в воду большое количество элементов питания в растворимой форме. Это количество больше, чем то, которое высвобождается при микробном разложении трупов этих организмов. Эти выделения в воду живых организмов включают в себя растворимые органические и неорганические соединения фосфора, азота и СО2. Эти продукты непосредственно усваиваются продуцентами. Эти продукты нет необходимости подвергать разложению бактериями. По такой же схеме происходит восстановление (регенерация) и других жизненно важных элементов питания. Следующие цифры иллюстрируют рост СО2 в атмосфере. Если в 1880 г. в атмосфере содержалось 0,29% СО2, то в 1958 г. оно достигло 0,31%, а в 1980г.— 0,33%. На первый взгляд, это незначительные изменения. Но результаты их могут иметь очень губительные последствия. Оценено, что если содержание СО2 достигнет 0,58%, что может произойти в середине будущего века, то температура повысится в среднем на 1,5—4,5 °C. А это очень серьезно. Может начаться таяние льдов в полярных шапках, изменится циркуляция атмосферы, повысится уровень Мирового океана. Правда, по мере загрязнения атмосферы промышленными выбросами она становится более мутной и количество отраженной атмосферой солнечной энергии увеличивается. Значит, ее меньше будет попадать на поверхность Земли. Это тот случай, когда говорят, что нет худа без добра: часть нагрева за счет увеличения СО2 может компенсироваться увеличением рассеянной солнечной энергии.
Мы говорим о СО2. Но у него есть предшественники, первоисточники. Это СО— окись углерода и СН4 — метан. В атмосфере содержание СО составляет 0,0001%, а метана— 0,0016% от общего содержания атмосферы. Эти соединения быстро обращаются, время пребывания (полного кругооборота) для СО составляет чуть больше месяца (0,1 года) , а СН4— 3,6 года. Для СО2 оно составляет 4 года.
Откуда берутся СО и СН4? Они образуются при анаэробном, или неполном, разложении органического вещества. Впоследствии оба эти соединения окисляются и образуют СО2. Но СО образуется не только в процессе естественного разложения. Примерно столько же его образуется и при неполном сгорании горючих ископаемых. Много его содержится в выхлопных газах автомобилей. Все знают, что окись углерода (СО) является для человека смертельным ядом. Он особенно опасен по понятным причинам в городах, где его концентрация может достигать 0,1%. Результатом этого могут быть анемии и другие заболевания сердечно-сосудистой системы, которые связаны с недостатком кислорода.
Что касается метана, то он вносит свой вклад в образование озонного слоя. Он производится живыми организмами (микроорганизмами) в мелководных морях, а также болотах. Об этом мы говорили, касаясь проблемы озонного слоя.
Круговорот азота. Воздух, которым мы дышим, на 80% состоит из азота. Это дармовой азот. Он очень нужен в почве, но в таком виде он там не усваивается. Таким образом, азот обладает огромным резервным фондом. Круговорот его в основных чертах выглядит так. В атмосферу он поступает в результате деятельности денит-рифинирующих бактерий. Он возвращается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий или водорослей. Они осуществляют биологическую фиксацию азота. Кроме того, азот образуется и затем поступает в атмосферу в результате ряда физических процессов, например, при электрических разрядах (молниях) и др.
Азот протоплазмы ряд бактерий-редуцентов переводят из органической формы в неорганическую. При этом каждый вид бактерий выполняет свою весьма определенную часть работы. В этой цепочке каждое звено на своем месте и нельзя допустить, чтобы оно выпало. В конце концов некоторое количество азота переводится в аммиак или в нитрат. Эти формы азота наиболее успешно усваиваются зелеными растениями.
Человек добавляет азот в окружающую среду вследствие выбросов соединений азота в атмосферу. Человек осуществляет промышленную фиксацию азота. Продукты этой фиксации азота поступают в пахотные земли в форме азотных удобрений. Их количество примерно равно природной фиксации азота. Но биологическая фиксация ниже. Относительно азота нет каких-либо опасений— его баланс в природе сохраняется. Это результат большого резервного фонда и того, что фиксация азота уравновешивается его де-нитрификацией.
Круговорот азота, как и воды и вообще любого вещества, требует затрат энергии. Когда происходит разложение белков до нитратов, то высвобождается энергия, которую потребляют организмы, проводящие это разложение. Обратный процесс использует солнечную энергию или же энергию, заключенную в органическом веществе. За счет разложения получают энергию микроорганизмы (бактерии) , которые превращают аммиак в нитрит, и бактерии, которые превращают нитрит в нитрат. Бактерии азотфиксирующие и нитрифицирующие для выполнения работы по превращению азотосодер-жащих соединений используют энергию других источников.
Имеется целый ряд бактерий, которые фиксируют азот. Это свободноживущие бактерии (как аэробы, так и анаэробы), симби-отические клубеньковые бактерии бобовых растений, сине-зеленые водоросли, которых еще называют цианобактериями, пурпурные бактерии из ряда фотосинтезирующих.
Многим известна роль клубеньков на корнях бобовых растений. В этих клубеньках находятся бактерии, которые фиксируют азот. Такие живые организмы, кооперирующиеся с растениями, называют мутуалистами, или симбионтами. Благодаря этим сожителям бобовые получают удобрения прямо с воздуха. Это, естественно, широко используется в агротехнике: после бобовых почва оказывается хорошо удобренной. Менее известно то, что и у многих других растений имеются подобные сожители. Бобовые имеют тропическое происхождение. Но имеется не менее 160 видов двудольных растений, у которых имеются подобные по своему назначению клубеньки на корнях. В качестве примера можно привести ольху. У нее в корневых клубеньках содержатся особые примитивные грибы, которые и осуществляют фиксацию азота. Эффективность их работы не хуже, чем у бактерий в клубеньках бобовых. Эти растения, в отличие от бобовых, возникли в умеренной зоне, для которой характерны песчаные и болотистые почвы. Здесь-то и надо в скудную почву добавлять азот, что успешно и делается.
Сине-зеленые водоросли выполняют ту же функцию фиксации азота. Они хорошо устраиваются на мелком плавающем водном папоротнике, где они заполняют микроскопические поры. Их многие века успешно используют при выращивании риса на заливных рисовых полях Востока. Технология следующая. До того, как будет высажен рис, залитые поля зарастают этим папоротником. В результате поля получают азотные удобрения, благодаря которым регулярно получаются хорошие урожаи риса. Нет нужды вносить удобрения, нет нужды менять места посадок риса. На одних и тех же местах в продолжение 1000 лет рис дает отменные урожаи.
Надо сказать, что фиксация азота происходит и бактериями, которые живут на эпифитах и листьях влажных тропических лесов. Часть этого фиксированного азота получают деревья.
Процесс фиксации азота является очень энергоемким. Для того, чтобы из молекулы азота N2 путем добавления водорода из воды получить две молекулы аммиака NH3, необходимо затратить большое количество энергии, которая идет на разрыв тройной связи в молекуле N2. Коэффициент полезного действия этого процесса составляет не более 0,1. Необходимая энергия получается растениями в фотосинтезе. Бактерии в клубеньках бобовых на связывание одного грамма азота затрачивают примерно десять граммов глюкозы. Глюкоза получается в процессе фотосинтеза. Это и дает столь нужный КПД .
Что касается внесения азотных удобрений в почву, то, как это ни покажется странным, это крайне не эффективно. Посудите сами. По данным американских специалистов, при увеличении азотных удобрений в 12 раз (с 1950 г.) урожайность увеличилась примерно в два раза. Только небольшая часть удобрений используется повторно. Практически вся масса удобрений удаляется из почвы с уборкой урожая. Часть нитратов (немалая!) попадает к нам на стол. Другая часть выносится из почвы водой (происходит выщелачивание), а также выходит из игры в результате денитрификации. В природных же процессах дело обстоит иначе: примерно 80% того азота, который усваивается ежегодно на всей Земле, возвращается в круговорот из воды и из суши. Из игры выходит только 20%, которые восполняются в результате фиксации или с осадками (дождем).
Подводя итог азотному циклу (круговороту), укажем на то, что часть азота непрерывно уходит в резервный фонд, опускаясь в глубоководные океанические отложения. Зато в круговорот время от времени включается азот, поступающий в атмосферу с вулканическими газами. Так что даже деятельность вулканов хорошо согласована со всеми процессами на Земле. Специалисты считают, что "выключение" вулканов сказалось бы отрицательно на производстве пищевых продуктов на Земле ("от голода вполне могло бы погибнуть больше людей, чем страдает сейчас от извержений"). Надо сказать еще несколько слов об азоте как об опасном загрязнителе воздуха. Оксиды азота (^О и NO2) являются токсичными. В обычных условиях их образуется немного. Но при сжигании ископаемого топлива содержание этих летучих окислов очень сильно увеличивается, особенно в городах и в промышленных районах. Они составляют третью часть всех отравляющих веществ промышленного происхождения, которые как загрязнители попадают в атмосферу.
Печально известный фотохимический смог, который раздражает глаза и вообще отрицательно действует на здоровье, образуется из Ж>2, который содержится в выхлопных газах. Под действием ультрафиолетового солнечного излучения ШЭ2 вступает в реакции с продуктами неполного сгорания углеводородов, которые также содержатся в выхлопных газах, и образуется фотохимический смог (фото— потому, что образуется под действием света, ультрафиолетового солнечного излучения).
Круговорот фосфора. Фосфор, в отличие от азота, является в природе дефицитом, или фактором, ограничивающим, лимитирующим жизненные процессы. Поэтому нельзя допустить, чтобы он выходил из игры, то есть из круговорота, на какой-либо ее стадии. Из всех элементов, которые необходимы для живых организмов, причем в больших количествах, фосфор является одним из наиболее редких в смысле его содержания на поверхности Земли. А между тем тот фосфор, который мы добываем для удобрений, тут же теряется — как только мы его добавляем в почву, в том же году он из нее вымывается (по крайней мере большая часть его) водой и навсегда оказывается потерянным для нас. Конечно, он не исчезает как таковой, но из круговорота выключается или навсегда или очень надолго. Он попадает на морское дно, откуда возвращается к нам в очень малых количествах. Возвращают его рыбы. Но возвращают в общей сложности мало, не более 60 000 т в год. А добываем мы фосфора в год примерно два миллиона тонн. Разница весьма существенная. Некоторые успокаивают тем, что разведанные запасы пород, содержащих фосфор, достаточно велики и его, дескать, хватит и для нас и для наших внуков. Но нас должна тревожить не только проблема растранжиривания фосфора (который очень быстро вымывается из почвы), но и те отходы, которые накапливаются в процессе переработки фосфоросодержащих веществ и производства удобрений. Создаются очень серьезные загрязнители окружающей среды, главным образом в виде фосфата. Огромные количества растворимых фосфатов выносятся в водные системы вместе со сточными водами как сельскохозяйственными, так и промыш-ленно-городскими. Специалисты-экологи считают, что если мы не хотим погибнуть от голода, то нам придется всерьез заняться проблемой возвращения фосфора в круговорот. В некоторых местах (за рубежом) практикуют опрыскивание наземной растительности сточными водами, содержащими фосфор. В другом варианте их "пропускают" через болота. Это не решает проблемы полностью, но определенный эффект достигается.
Сложность проблемы фосфора, в отличие от азота, состоит в том, что его резервный фонд находится не в атмосфере, а на дне морском, в горных породах и других отложениях, которые возникли как результат геологической активности. Из этих пород фосфор добывает человек, ведя их разработки, но добытый фосфор почти незамедлительно теряется — он в прямом смысле уплывает из его рук и оказывается на дне морском. При этом часть фосфатов отлагается в мелководных осадках, а часть теряется очень глубоко на морском дне. В принципе в истории Земли имел место процесс поднятия отложений. Но сейчас он практически не наблюдается и уповать на то, что фосфор сам поднимется со дна морского, не приходится. Рыба, как мы уже видели, также не справляется с этой задачей. А между тем фосфор является незаменимым элементом протоплазмы, без которого жизнь невозможна. Круговорот его прост: он переходит из органических соединений в фосфаты, а фосфаты потребляют растения. Что касается потери фосфора, то мы теряем и еще одну возможность его возвращения в круговорот — морские птицы стали это делать намного менее эффективно, чем в недалеком прошлом. Птиц становится меньше — и это результат деятельности человека. А ведь было их несметное количество. Колоссальные скопления гуано на побережье Перу казались неистребимыми. Но человеку все по плечу.
Круговорот серы. Сера не столь необходима живым организмам, как фосфор и азот. Но роль ее огромна, и круговорот ее в природе сбивать нельзя. Роль ее не только прямая, но и косвенная. Например, когда в осадках образуются сульфиды железа (содержат серу), то это помогает фосфору переходить из нерастворимой формы в растворимую. А это то, чего мы так желаем. Но у серы есть и своя непосредственная задача — она входит в состав аминокислот и участвует в процессе продуцирования и разложения биомассы.
Резервный фонд серы содержится как в почве и отложениях, так и в атмосфере. В атмосфере ее меньше. В обменном фонде, который участвует в круговороте, идут процессы окисления серы и ее восстановления. Эту работу выполняют специализированные микроорганизмы— каждый из них делает свое дело. Так, например, бактерии Desulfovibrio поднимают серу со дна морского. Они обходятся без кислорода (являются анаэробами). Эти бактерии преобразуют сульфаты (ЗО42-) , которые находятся в отложениях и воде на большой глубине, где нет кислорода (к примеру, в Черном море) в H2S. Далее газ H2S сам поднимается и оказывается или в поверхностных водах, или же в верхних слоях отложений. Здесь его используют другие организмы, например, фотосинтезирующие бактерии.
Бесцветные, зеленые и пурпурные серобактерии осуществляют обратный процесс преобразования H2S в сульфаты. Промежуточным звеном в этой реакции является образование серы: H2S — S— ЗО^-. Без этого звена H2S преобразуют в SО4 тиобациллы.
Эта реакция (процесс) называется аэробным окислением сульфида. Аэробные гетеротрофные микроорганизмы превращают серу в ЗО^-, а анаэробные — в H2S. В результате получения первичной продукции сульфаты включаются в органическое вещество. Сульфаты возвращаются в круговорот через экскрецию животными.
Собственно, основной формулой серы, которая восстанавливается автотрофами (организмами, усваивающими солнечную энергию путем фотосинтеза) в белки, является ЗО^-.
Круговорот серы важен не только для круговорота фосфора, о чем уже говорилось, но и для круговоротов азота и углерода.
В воде также находятся фотосинтезирующие бактерии, как морские, так пресноводные. Производят они органического вещества очень немного (3—4%) . Но заслуга их в другом— они могут функционировать в таких условиях, где другие организмы жить не могут. Они обитают в граничном слое между окислительными и восстановительными зонами в воде и осадках. Туда свет практически не проникает. Эти бактерии, находясь в илистых отложениях литороли, образуют розовые и пурпурные слои, которые располагаются под верхними зелеными слоями водорослей, обитающих в иле. Они обитают там, где уже имеется свет, но мало кислорода — у самой верхней границы восстановительной (анаэробной) зоны. В условиях, когда в стоячих озерах имеется большое количество H2S, на долю фотосинтезирующих серобактерий приходится четверть общей годовой продукции фотосинтеза.
Мы говорили об естественном цикле, круговороте серы. Но человек много добавил к этому круговороту. В результате промышленного загрязнения в окружающую среду попадает большое количество серы в основном в виде газообразного сернистого ангидрида (SO2) , который образуется в результате сжигания угля. Двуокись серы гибельно действует на растительность. Кроме того, SO2 реагирует с водяным паром и кислородом с образованием слабой серной кислоты Н2ЗО4 в виде капелек. Эти капельки и образуют кислотный дождь. Чем больше времени находится в воздухе ЗО2, тем больше вероятность образования серной кислоты. Можно привести такой пример. Для того, чтобы меньше загрязняющих веществ, в том числе ЗО2, выпадало в населенных пунктах после их выбросов из труб ТЭЦ, эти трубы стали строить высокими. Эффект проявил себя тут же, поскольку загрязняющие вещества поднимались выше и уносились с воздухом дальше. Но чем дольше ЗО2 находится в воздухе (в контакте с водяным паром — водой), тем эффективнее образуется серная кислота, которая затем благополучно (с осадками) выпадает на те же населенные пункты. От чего ушли, к тому же пришли, только в худшем варианте. Этого бы не случилось, если бы сразу было понимание проблемы, понимание того, что где бы в атмосферу или гидросферу или почву мы не выбросили загрязняющие вещества, они рано или поздно будут у нашего порога, вернутся к нам через форточку, водопроводный кран или продукты питания. Нельзя быть, в конце концов, страусом. Надо наконец понять, что имеется единственное решение данной проблемы— удаление серы из выбросов и из топлива.
Надо иметь в виду, что в тех почвах, где нет противодействия кислотности, буферов рН, которыми служат карбонаты, соли кальция и других щелочных соединений, кислотные дожди наиболее опасны. Почва от них не защищена. Ясно, что увеличение кислотности (рН) в почве, озерах и т. д. приведет к исчезновению в них жизни.
Осадочные циклы. Рассмотренные выше циклы (круговороты) не исчерпывают всех возможностей, которые реализуются в природе. Ведь не все вещества циркулируют вместе с водой и воздухом. Мы уже говорили, что имеется и осадочный цикл, то есть круговорот веществ в результате вулканической деятельности, горообразования, осадкообразования, эрозии. Конечно, в этом круговороте не обходится и без живых организмов, которые осуществляют биологический перенос.
Поскольку осадочный цикл связан с самой Землей, то приведем некоторые пояснения. Ядро Земли покрыто сверху слоем, толщина которого равна 2900 км. Этот слой называют мантией. Сверху мантия покрыта слоем базальта. Базальт — это черная порода, которую можно обнаружить в районах вулканических выбросов. Слой базальта практически является дном океанов. Сверху на базальтовом слое местами (там, где имеется суша) имеется "слой" гранита. Гранит— это весьма устойчивая порода, имеющая светлую окраску. Выше слоя гранита находится слой отложений. Кстати, в океанах и морях также имеется слой отложений, под которым (при достаточной глубине океана или моря) находится базальт. Материки же (суша) представляют собой гранитные глыбы, плавающие, словно пробки, на базальтовом слое! Эти пробки сверху покрыты отложениями.
Теперь, имея перед собой картину устройства Земли, попробуем представить себе, как происходит циркуляция различных элементов. В атмосферу поднимаются элементы, которые извергаются из вулканов, переносятся воздушными потоками из отложений (результаты эрозии и др.) и поднимаются в атмосферу вместе с морской (океанической) водой. Все эти вещества (элементы), находящиеся в воздухе, рано или поздно должны выпасть на землю (и на водную поверхность океанов и морей). Кроме того, надо иметь в виду, что идет обмен элементами между мантией и слоем базальта (в ту и другую сторону), а также между отложениями и гранитом. Нас интересует жизнь. Ее участие в круговороте и ее участь в результате вторжения человека в этот процесс. Поэтому осадочные элементы мы будем называть элементами питания. Ясно, что лучше всего, оптимально, если элементы питания будут находиться там, где они нужны, где в них имеют потребность живые организмы. Очевидно, что слой отложений образовался не сразу, а в процессе длительного переноса вещества сверху вниз, как это описано выше. Накопление элементов питания происходило в периоды минимальной геологической активности. Это были растворенные или пригодные к использованию минеральные элементы. Они оседали на низменностях и в океанах. Естественно, что возвышенности при этом обеднялись. Нормально, если это обеднение будет восполняться поступлением веществ снизу. В этом и будет состоять нормальный круговорот. Этот возврат элементов питания снизу вверх могут осуществлять живые организмы. Поэтому говорят о биологических механизмах возврата.
Любая из цивилизаций, которые существовали на Земле до сегодня, так или иначе приводила к ухудшению этого механизма восполнения, то есть к ухудшению качества почв. На Азиатском континенте, который был свидетелем многих цивилизаций, потери почв наибольшие. Помешать нормальному круговороту веществ (элементов питания) можно по-разному. Можно, например, на высокоширотных реках поставить плотины, перекрыть ход лососей на нерест (а заодно не только лососей). При таком варианте никто не думает о том, что когда в глубине материка лососи гибнут во время нереста, то в своем теле они там оставляют ценные элементы питания, которые они транспортировали, доставили вглубь материка из моря. Можно привести и другой пример. Мы уже говорили, насколько пагубна сплошная, плановая вырубка леса. И не только потому, что атмосфера недополучит свой кислород (это для нас чрезвычайно важно), но и потому, что с древесиной мы удаляем с этого участка элементы питания. В естественных условиях эти элементы питания остались бы там же, в почве леса. Они поступили бы в почву после того, как дерево разложилось бы. Но мы оголили почву и нарушили круговорот элементов питания.
Ранее экологов интересовал круговорот только важных для живых организмов (главное, для человека) веществ, элементов питания. Но с появлением радиоактивных веществ, которыми человек за короткое время успел загрязнить все среды— воздух, воду и почву, — постановку проблемы пришлось изменить. Те элементы, которые еще недавно считались второстепенными, оказались в центре внимания. Второстепенных не стало. Оказалось, что вместе с второстепенными элементами может совершать круговорот радиоактивный элемент, химические свойства которого такие же. Он что-то вроде близнеца. А это в корне меняет дело. Если второстепенный элемент для нас был безразличен, поскольку он не приносил ни вреда ни пользы, то его двойник, проникая к нам вместе со второстепенным элементом, может обернуться для нас драмой, если не трагедией. Так проникает в наши кости радиоактивный стронций-90, который совершает круговорот с безобидным кальцием. Пока человек не породил стронций-90, проблемы не было. Но сейчас она стала одной из зубных болей человечества. Подробнее об этом будет сказано в разделе "Радиационная экология".
Второй важной проблемой, которую создал человек, — это тяжелые металлы и в том числе ртуть. Это такие металлы, как цинк, медь, кадмий и др. В результате промышленных разработок эти металлы попадают в почву, воду, а затем и к нам на стол. Что касается ртути, то она также мигрирует в реки и почву. Если она приходит в контакт с микроорганизмами, то они ее перерабатывают. Но! Из нерастворимых ее форм они делают растворимую, которая очень подвижная и очень ядовитая. Это метилртуть.